模拟电子技术实验讲义

实验一 常用电子仪器使用

一、实验目的

（l）了解双踪示波器、低频信号发生器、稳压电源、晶体管毫伏表及万用表的基本工作原理和主要技术指标。

（2）掌握用双踪示波器测量信号的幅度、频率、相位和脉冲信号的有关参数。 （3）掌握低频信号发生器和晶体管毫伏表的正确使用方法。

（4）掌握万用表的使用方法，学会用万用表判断二极管、三极管的电极和性能的方法。

二、实验原理

在电子技术实验里，测试和定量分析电路的静态和动态的工作状况时，最常用的电子仪器有：示波器、低频信号发生器、直流稳压电源、晶体管毫伏表、数字式（或指针式）万用表等，如图1－1所示。

图1－l 电子技术实验中测量仪器、仪表连接图

示波器：用来观察电路中各点的波形，以监视电路是否正常工作，同时还用于测量波形的周期、幅度、相位差及观察电路的特性曲线等。

低频信号发生器：为电路提供各种频率和幅度的输人信号。 直流稳压电源：为电路提供电源。

晶体管毫伏表：用于测量电路的输人、输出信号的有效值。

数字式（或指针式）万用表：用于测量电路的静态工作点和直流信号的值。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块

1

（6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1稳压电源

接通电源开关，调电压调节旋钮使两路电源分别输出＋3Ⅴ和+12v，用数字式万用表“DCV”档测量输出电压的值。

分别使稳压电源输出＋30v、±15V，重复上面过程。

2．晶体管亳伏表

是一种专门用来测量交流小信号电压的电子仪表。测量频率范围10Hz—1MHz，量程范围从1mV—300V, 误差范围一般不超出5%。使用时应注意根据被测信号大小选择适当的量程，应以指针偏转不低于满量程的三分之一为宜。输入端连线应注意区分信号端与接地端的正确接法。从仪表上可读出电压值和相应的标准分贝值。要注意量程与刻度值间的换算关系，以免产生读数错误。

3．低频信号发生器

该仪器可输出正弦波、方波和矩形波，频率范围从10Hz—1MHz，可同时显示输出信号的有效值和频率大小。输出端口可根据模拟电路和数字电路实验的要求选择相应端口，较为适合作为实验用。

（l）信号发生器输出频率的调节方法

按下“频率倍乘”波段开关，配合面板上的“频率调节”和“频率微调”旋钮可使信号发生器输出频率在10Hz～1MHz的范围改变。输出信号的频率显示在“频率显示器”上，单位的指示灯亮。

（2）信号发生器输出幅度的调节方法

“电压输出”端是仪器频率信号的输出端。由“波形选择” 开关选择输出信号的波形，按下“衰减”开关和“幅度”旋钮便可在输出端得到所需的电压，其输出为0-10v的范围。 “TTL输出”端输出TTL脉冲波，由“脉宽调节”旋钮调节脉宽。 “单脉冲输出”端输出单脉冲信号，按一下键输出一个单脉冲。 （3）低频信号发生器与毫伏表的使用

使信号发生器输出正弦波信号，其频率为lkHz；调节“输出调节”旋钮，使输出电压显示屏5Ⅴ，分别置分贝衰减开关于0dB、20dB、40dB、60dB、80dB档，用毫伏表分别测出相应的电压值。

4．双踪示波器

该仪器是一种可同时观测两路信号的示波器。其垂直通道频率响应为20MHz，灵敏度为5mV/div，扩展时达1mV/div。时间与幅度测量误差不大于5%，最高扫描速度达0.5μS/div。输入阻抗约1MΩ，最大电压小于400VP-P值。信号接入在信号要求不高的场合，通常选用开路电缆线，连接时要分清测量端和接地端，切勿接错。一般黑端接地。

我们可用它来测量一个信号的幅度、周期，通过f=1/T 可求出信号的频率；也可以测量

2

直流电压的大小。如果利用示波器的双踪工作方式，还可以求出两个同频信号的相位差。

（l）使用前的检查与校准

先将示波器面板上各键置于如下位置：“触发方式”开关位于“AOTU”；“触发源”开关位于“INT”； “ DC，CND，AC”开关位于“GND”；“垂直工作方式”开关位于“CH1(或CH2)”；“内触发”开关位于“CH1(或CH2)”；“TIME／DIV”旋钮位于“0.5ms／div”档。开启电源后，示波器屏幕上应显示一条扫描线，调节“辉度”、“聚焦”各旋钮使屏幕上观察到的扫描线细而清晰。调节“水平位移”和“垂直位移”旋钮，使扫描线位于示波器显示屏的中心。将“ DC，CND，AC”开关位于“AC”。然后用同轴电缆将校准信号输出端“CAL”与CH1(或CH2)通道的输人端相连接。屏幕上出现校准信号。

（2）交流信号电压幅值的测量

将“ DC，CND，AC”开关位于“AC”，然后用同轴电缆将低频信号发生器信号输出端与CH1(或CH2)通道的输人端相连接。

使低频信号发生器产生信号频率为1kHz、信号幅度为5v，适当选择示波器灵敏度选择开关“ⅤOLTS／DIV”的位置，使示波器屏上能观察到完整的正弦波。如果波形叠加在一起，可以调节“LEVEL”旋钮，使波形稳定。则此时“ⅤOLTS／DIV”旋钮所指示的值表示显示屏上纵向每格的电压值，根据被测波形在纵向高度所占格数便可读出电压的数值，将信号发生器的“衰减”置于表1－1中要求的位置并测出其结果记人表中。

表1－1 输出衰减（dB） 示波器（ⅤOLTS／DIV）位置 峰峰波形高度（格） 峰峰电压（伏） 电压有效值（伏） 0 20dB 40dB 60dB

注意：若使用10：l探头电缆时，应将探头本身的衰减置考虑进去。

（3）交流信号频率的测量

将示波器扫描速率中的“微调”旋钮置于校准位置，在预先校正好的条件下，此时扫描速率开关“TIME/DIV”的刻度值表示显示屏横向坐标每格所表示的时间值。根据被测信号波形在横向所占的格数直接读出信号的周期，若要测量频率只需将被测的周期求倒数即为频率值。按表1－2所示频率，由信号发生器输出信号，用示波器测出其周期计算频率，并将所测结果与已知频率比较。

表1－2

信号频率（kHz） 扫描速度（TIME/DIV） 一个周期占有水平格数 信号频率 （4）两个波形同步观察

“垂直工作方式”开关位于“ALT”（交替）或“CHOP”（断续）使就可以观察两个波形。（“ALT”用于观察频率高的信号，“CHOP”用于观察频率低的信号。）“内触发”位于“VERT MODE”

3

1 5 10 100 200

5 用万用表检查晶体管

（1）用万用表判断二极管的质量与极性

根据二极管单向导电特性，用万用表“二极管及通断测试”档进行测量（注意：红表笔的极性为＋）。用红表笔与黑表笔碰触二极管的两个电极，表笔经过两次对二极管的交换测量，若一次显示屏上无示数（二极管反向截止），另一次显示屏上显示二极管正向导通压降的近似值，则可认定被测二极管是好的。当显示屏上显示二极管正向导通压降的近似值时，黑表笔接的是二极管的负极，另一端为正极。

（2）用万用表判断三极管的电极与质量

①判断晶体三极管基极b。以NPN型晶体三极管为例，用红表笔接某一个电极，黑表笔分别碰触另外两个电极，若测量结果是显示屏上读数都为二极管的正向导通压降，则可断定第一次测量中红表笔所接电极为基极。

②判断晶体三极管发射极e和集电极c。确定三极管基极b后，再测量e、c极间的电阻，然后交换表笔重测一次，两次测量的结果应不相等，其中电阻值较小的一次为正常接法，正常接法对于NPN型管，红表笔接的是c极，黑表笔接的是c极，对于PNP管，黑表笔接的是e极，而红表笔接的是c极。

五、思考题

1 使用示波器时若要达到如下要求应调节哪些旋钮和开关？ （1）波形清晰，亮度适中； （2）波形稳定；

（3）移动波形位置；

（4）改变波形的显示个数； （5）改变波形的高度； （6）同时观察两路波形。

2用示波器测量信号的频率与幅值时，如何来保证测量精度？ 3示波器触发来源分为“内部” “外部”，其作用是什么？如何正确使用？

4双踪示波器的“断续”和“交替”工作方式之间的差别是什么？

5晶体管毫伏表能否测量20Hz以下的正弦信号，在使用时应注意什么？

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实验二 单管放大电路

一、实验目的

（l）学习如何设置放大器的静态工作点及其调整方法；

（2）学习放大器的放大倍数、频率响应、输人电阻和输出电阻的测量方法； （3）掌握放大器电路的设计、安装及凋试方法； （4）进一步熟悉晶体管参数的测试。

二、实验原理

1．放大器的静态工作点

放大器静态工作点的设置与调整是十分重要的，静态工作点的合理设置能使放大器工作稳定可靠。

（1）静态工作点的选择

首先应使放大器产生的非线性失真最小，动态范围最大。在放大器中，由于晶体管特性的非线性，当静态工作点选择不当，输人信号的变化范围进人晶体管非线性区域时，就会引起非线性失真。如图2-1所示为放大器电路及其晶体管的输人输出特性曲线。从图上可以看出晶体管的输人特性曲线iB~uBE，输出的特性曲线iC~uCE均为非线性；因此可以得出两点结论：

①输人信号的幅度较小，适当提高工作点电流就会降低非线性失真，但以输人信号不进入饱和区为限。

②静态工作电流相同时，输人信号的幅度越小，非线性失真也越小。

图2-1 晶体管放大器电路图及晶体管的输人、输出特性

再者当静态工作点选择不当时，输人信号正半周进人饱和区，或是负半周进人截止区，从而引起输出信号产生限幅失真，如图2-2所示。从图上分析，输人信号变化范围不应超过交流负载线A、B两点。因此为了扩大输出动态范围，放大器的静态工作点Q应选在交流负载线的中点。

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图2-2放大器负载线

（2）静态工作点的选择对放大器增益的影响

晶体管一般采用微变等效电路，放大器的电压放大倍数为：

?uo?RL Au???uirbe式中rbe是晶体管的共发射极输人阻抗，它与工作电流有关，可写为：

rbe?rbb??(1??)26(mV) IEQ式中rbb?是晶体管基区电阻，基本上不随工作电流而变，IEQ是发射极静态工作电流。由上面分析可知，静态工作点将影响输出波形的非线性、放大器的最大输出幅度及放大倍数。因而选择工作点时，应首先在负载上得到所需的幅度及非线性要求的情况下尽可能获得最大增益。

（3）静态工作点的设置

为了稳定静态工作点，一般采用分压式偏置电路及电流负反馈电路来设置静态工作点。如图2-3所示。图中晶体管发射极上接了一个电阻RE，基极上接了两个分压电阻Rb1和Rb2。这种设置使静态工作点温度稳定性高。其原因在于晶体管基极电位UBQ基本上由Rb1和Rb2决定，即

UBQ?Rb2VCC

Rb1?Rb2图2-3 分压式偏置及电流负反馈放大电路

由于IBQ本身比较小，Rb1和Rb2的数值又取得不大，可近似认为UBQ为恒定值。当温度变化时，晶体管ICQ变化，例如ICQ随温度升高变大，那么UEQ肯定随之升高，由于UBQ不变，就必然使UBEQ减小，从而引起IBQ减小，则ICQ要相应减小一些，结果ICQ随温度升高而增加的部分将大部分被IBQ的减小所抵消，起到了稳定静态工作点的作用。

(4)静态工作点的调整

描述静态工作点的参数是ICQ、UCEQ和IBQ，一般用数字式万用表测出就可以了，如果

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不满足要求，可调整Rb1，使其达到设计要求。在具体测试时，一定要考虑测试仪表对被测电路的影响，为此应注意下面问题：①仪表输人阻抗应远大于被测两点的等效阻抗；②测试应在没有交变信号时进行；③测电流时为了不动电路可用测电压的方法，再由电压换算为电流；④测试时最好用示波器监视输出，以防电路振荡。

2．放大器的基本性能

放大器的基本性能包括电压放大倍数、频率响应、输人阻抗及输出阻抗等参数。 （l）电压放大倍数的测量

电压放大倍数的测量实质上是输人电压ui与输出电压uo的有效值Ui和Uo的测量。实际测试时，应注意在被测波形不失真和测试仪表的频率范围符合要求的条件下进行。将测得的Ui和Uo值代人下式，则可得到电压放大倍数：

Au?uo ui（2）频率响应的测量

频率响应的测量实质上是对不同频率时放大倍数的测量，测试方法有逐点法和扫频法两种。

①逐点法。测试方框图如图2-4所示。用一个可变频率的正弦信号源，将其输出信号作为被测放大器的输人信号，并保持幅度恒定，改变信号源的频率，用晶体管毫伏表测出对应的输出电压值，将所测各频率点的输出电压值连成曲线，即为该放大器的频率响应。

图2-4 逐点法测试频率特性方框图

②扫频法。利用专门的仪器——频率特性测试仪，它能给出幅度恒定，频率连续变化的扫频信号，加到被测放大器的输入端，同时被测放大器的输出经峰值检波后送至扫频仪视频输人端，将被测放大器的频率响应显示在荧光屏上，其基本测试方框图如图2-5所示。采用扫频法，速度快、便于调整，但需要满足所需频率范围的专用设备。

图2-5 扫频法测试频率特性 图2-6输人电阻的测试原理图

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（3）输人电阻的测量

放大器输人电阻的大小，反映放大器消耗前级信号功率的大小，是放大器的重要指标之—。测试原理如图2-6所示。在放大器的输人回路中串联一个已知电阻R，加人交流电压后，在放大器输人端产生一个电压ui。则 Ri?u?uiui，而 ii?s，

Rii则 Ri?UiR 。

Us?Ui所以放大器输人的电阻的测量，实际上是通过测量串联在输人回路中已知电阻R两端的电压Us和Ui并对其进行计算求出其输人电阻Ri。测量输人电阻Ri的另一种方法是替代法，测量电路如图2-7所示。先测出l端到地的电压，然后，开关拨到2端，测2端到地的电压，同时调节电位器Rp，使2端的电压与l端的相同，则Rp的阻值即为放大器的输人电阻Ri的值。

图2-7用替代法测量Ri的原理图

（4）输出电阻的测量

放大器输出电阻的大小反映了放大器带动负载的能力。当放大器与负载连接时，对负载来说，放大器就相当于一个信号源，而这个等效信号源的内阻Ro就是放大器的输出电阻。Ro越小，放大器输出等效电路就越接近于恒压源，带负载的能力就越强。放大器输出电阻的测

量电路，如图2-8所示。当接人负载时，

Ro?us?uoL 图2-8 输出电阻的测试原理 iouoL RL而 io??Uo???R??1RL 当负载开路时， o???UoL?因此，放大器输出电阻的测量，实际上是通过测量放大器输出开路时的电压Uo及接上负

载后的输出电压UoL值，并进行计算求出放大器的输出电阻。

3 防止寄生振荡的几点考虑

设计安装放大器时，经常会遇到寄生振荡的问题，为了防止寄生振荡应考虑下面的问题。 （l）多级放大电路一般都是由同一电源供电，电源的内阻使各级之间相互耦合，特别是信号强的末级对前级的影响尤为严重，为了防止这种影响，一般除要求低内阻的电源外，还应在各级之间加退耦电路。如图2-9所示。

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图2-9 多级放大器去耦电路

（2）地线电阻应尽量小，地线应该用较粗的线。如用印刷电路板，地线应尽量加宽。电源的输入线尽量靠近末级，以防大电流在地线中流过而引起级间耦合。

（3）防止元器件之间相互耦合，在布局上末级应尽置远离第一级，信号的输人引线要远离信号的输出线，防止输出信号耦合到输人级而引起振荡。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 基本单元电路的测量。 电路如图2-10所示。

图2-10 单管放大器实验电路

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（l）直流工作点的调整与测量

调节电位器改变Rw1为某一合适值（如使UCQ＝7.5v），测量直流工作点参数UEQ、UBQ

的电压值。

计算： IEQ?UEQRe ICQ?VCC?UCQRC UCEQ?UCQ?UEQ

将实测的UCEQ与计算的UCEQ进行对比分析。

（2）测量放大器最大不失真输出电压

调节电位器改变Rw1和输入信号Us，用示波器观察输出电压波形，使输出为最大不失真正弦波形，测量此时的静态集电极电流ICQ和最大不失真输出电压UoL。

（3）观察不同的静态工作点时输出波形 ①工作点合适时的输出波形

不加输入信号，调节Rw1使静态集电极电流ICQ＝2mA。测量UCQ、UEQ、UBQ，并计算ICQ、UCEQ的值。（方法是：测量Re两端的直流电压，然后将此电压除以相应的电阻Re，即ICQ＝IEQ＝UEQ/Re）。在电路输入端接入f＝1kHz，Us＝8mV（有效值）的正弦信号，在输出端负载RL上用示波器观察输出波形并记录。

②工作点偏高时的输出波形

调节Rw1，使工作点偏高（即ICQ1>ICQ），测量相应的静态工作点参数。接输入信号观察输出波形，若没有明显失真，可适当增加Us。

③工作点偏低时的输出波形

调节Rw1，使工作点偏低（即ICQ1

测 量 数 据 给定条件 UBQ（v） UEQ（v） UCQ（v） 输 出 波 形 UCEQ（v） ICQ（mA） 计 算 数 据 Q点合适时 2V Us=8mV Q点偏高时 2.9V Us=8mV Q点偏低时 0.6V Us=40mV 表2－1

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（4）放大倍数的测量，测量电路如图2-11所示。

图2-11 放大器放大倍数测试连线图

在电路输入端接入f＝1kHz，Us＝8mV（有效值）的正弦信号，在输出端负载RL上用示波器监视输出波形，在波形无明显失真时，用晶体管毫伏表测量放大器的输出电压值UoL，计算AuL?uoL。 ui（5）输人电阻的测量

输人回路中串人一个与输入电阻Ri阻值相近的电阻R，本实验采用的串联电阻为1kΩ。用晶体管毫伏表测试Us、Ui的值，即可求得

Ri?UiR

Us?Ui（6）输出电阻的测量

将放大器输出端与负载电阻RL断开，用晶体管毫伏表测出开路电压Uo值，然后接上负载电阻RL，测得输出电压UoL值，即可求得

?Uo??Ro???1?U?RL

?oL?（7）放大器频率特性的测量

采用逐点进行测量，测试时要保持输人信号的幅度固定为Us＝8mV不变，改变输入信号的频率后，要用毫伏表在输出端测量相应的输出电压UoL，同时用示波器监视输出信号的波形不产生失真。将上述测量结果记入表2－2。

输入信号频率f（kHz） 0.1 0.2 0.5 0.8 1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 输入电压 Ui（mV） 输出电压 UoL（mV） 放大倍数 表2－2

2.放大器的设计

（1）设计要求

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Au＝40，Ri＝3kΩ，Ro＝100Ω，Vopp＝6V，fL＝100Hz；Rs＝50Ω, RL=1kΩ；Ec＝12Vβ≥60，rbb?＝100Ω，Vces ＝1V。根据放大器的指标要求，确定图2－10中的所有电阻、电容的设计数值。

（2）仿真

通过软件模拟仿真，修改电阻、电容的设计数值，以满足放大器设计指标的要求。 ① 瞬态分析

记录静态工作点数值；观察输出波形失真情况，测量不失真输出波形；改变输出负载电阻的大小，观察放大器输出波形幅度变化情况。 ② 交流分析

测量带宽、增益、输入电阻和输出电阻。

（3）安装设计好的电路，调整工作点使其能稳定工作，然后，测试带宽、增益、输入电阻和输出电阻等参数的值，使其达到设计要求。

五、思考题

1 实验电路的参数Re、RL及VCC变化，对输出信号的动态范围有何影响？如果输人信号加大，输出信号的波形将产生什么失真？

2 本实验在测量放大器放大倍数时，使用晶体管毫伏表，而不用万用表，为什么？ 3 测一个放大器的输人电阻时，若选取的串人电阻过大或过小，则会出现测试误差，请分析测试误差。

4 在示波器屏幕上显示NPN型和PNP型两种晶体管输出信号波形，两种晶体管的饱和失真波形有什么区别？为什么？

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实验三 场效应管放大电路

一、实验目的

（l）掌握场效应管放大器的性能和特点。 （2）熟悉恒流源负载放大器的工作原理。 （3）进一步热悉放大器动态参数的测试方法。

二、实验原理

1．放大器的静态工作点

场效应管是一种电压控制型器件，按结构可分为绝缘栅型和结型两大类型。由于场效应管栅源间处于绝缘或反向偏置，所以输入电阻很高（一般在百兆欧以上）。又由于场效应管是一种单极型器件，因此具有稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小等特点。并且制造简单，便于大规模集成，应用较为广泛。

图3－1 场效应管实验电路图

实验电路如图3－1所示，场效应管采用3DJ6G型号，电路为自给偏压共源放大器，自给偏压的大小为

UGS??ID?RW1

调节源极电阻Rw1的大小，可以调节放大器的静态工作点。为保证场效应管工作在恒流区，要求

UDS?UP?UGS

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放大器的电压增益为

AV??gmRL

式中gm为场效应管的跨导

gm??RL为等效负载电阻

2IDSSUP?UCS??1?UP???? ?RL?RD∥rDS∥RL

放大器的输入电阻约等于栅极电阻，即

Ri?Rg

输出电阻为

RO?RD∥rDS

式中rDS为场效应管的输出电阻，约为几十kΩ至几百kΩ之间。

结型场效应管放大器的增益较低，提高增益的有效途径式采用恒流源负载。这种电路是利用场效应管在恒流区动态电阻rDS较大这一特性。恒流源负载电路如图3－2所示，通过调节电位器Rw1、Rw2，可以改变两管的栅源电压UGS、漏源电压UDS，以保证两管均工作于恒流区。这种电路合适于负载电阻较大的情况。

图3－2恒流源负载FET放大器

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块

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（6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 调试测量静态工作点

按图3－1所示接好电路，调节源极电位器Rw1，使得IDQ＝2mA，测量漏源电压UDS与栅源电压UGS，检查是否工作于恒流区。

2 测量电压增益和输出电阻

输入交流信号?＝1kHz, Ui＝50～100mV，观察输出波形。在不失真的条件下测量输入电压Ui，空载输出电压Uo，有载输出电压UL。计算出电压增益Ao、AL和输出电阻Ro。

3 测量输入电阻并研究毫伏表内阻对测量结果的影响

（1）采用测输出电压的办法（间接测量法）测量输入电阻。在放大器的输入端串接电阻RS＝510kΩ，电路如图3－1所示。从A端输入信号，测得放大器的输入电压为UL。改

'变信号的大小，从B端输入，测得输出电压为UL，则放大器的输入电阻为

'ULRi?RS 'UL?UL（2）采用测量输入电压的办法（直接测量法）测量输入电阻，在图3－1中，从B －B′端输入信号，测出信号源输出电压US和放大器的输入电压Ui，则放大器的内阻为，

Ri?

4 测量放大器的通频带

UiRS

Us?UiBW?fH?fL

五、思考题

1 测量栅源电压UGS时，能否把万用表的两表笔并接在G、S两级上？为什么？

2 场效应管放大器的输入耦合电容为什么比晶体管电路小的多？它的数值怎样确定？

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实验四 负反馈放大电路

一、实验目的

（l）掌握放大器频率特性的测量方法；

（2）加深理解负反馈对放大器放大倍数、输人阻抗、输出阻抗和频率特性的影响。

二、实验原理

由于晶体管的参数会随着环境温度改变而改变，不仅放大器的工作点、放大倍数不稳定，还存在失真、干扰等问题。为改善放大器的这些性能，常常在放大器中加人反馈环节。根据输出端取样方式和输入端比较方式的不同，可以把负反馈放大器分成四种基本组态：电流串联负反馈、电压串联负反馈、电流并联负反馈和电压并联负反馈。见图4－l。

图4－1 负反馈示意图

下面主要结合实验内容介绍负反馈对放大器性能的影响。

1 负反馈降低了放大器的增益

如果原放大器输人为Us，加人负反馈后放大器输人信号为Ui，反馈电压为Uf。则

??Ui?Us?Uf Us?Ui?Uf

Uf?FUo

式中F＝Uf/ Uo称为反馈系数。

若原放大器的放大量为A＝Uo/ Ui加人负反馈后的放大量为Af，则

Af?UoUoUoUoA????

?UUsU?U?1?1?AFo?FUoUo??F?ifA?A?l＋AF为衡量反馈强弱的重要物理量，称为反馈深度。

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通过上面的分析可知，引人负反馈会使放大器放大倍数降低，这是缺点。但是事物是一分为二的，负反馈虽然使放大倍数下降，但它改善了放大器的其他性能，因此负反馈在放大器中仍获得广泛的应用。

2 负反馈提高了放大器增益的稳定性

电源电压、负载电阻及晶体管参数的变换都会使放大器的增益发生变化，加人负反馈后可使这种变化相对变小，即负反馈可以提高放大器增益的稳定性，可解释如下：如果AF>>1，则Af≈

1。由此可知，强负反馈时放大器的放大量是由反馈网络确定的，而与原放大器的F放大量无关。为了说明放大器放大量随着外界变化的情况，通常用放大倍数的相对变化量来评价其稳定性。 对式Af?A，进行微分可得：

1?AFdAfdA于是得

?1?1?AF?2?AfA1 ??1?AFA?1?AF?A?1?AF??AfAf??A1 ?A1?AFA，因此，负反馈提高了放

1?AF这表示有负反馈使放大倍数的相对变化减小为元反馈时的

大器增益的稳定性。而且反馈深度愈大，放大倍数稳定性愈好。

3 负反馈展宽了放大器的频带

阻容耦合放大器的幅频特性，在中频范围放大倍数较高，在高低频率两端放大倍数较低，开环通频带为BW，引人负反馈后，放大倍数要降低，但是高、低频各种频段的放大倍数降低的程度不同。

如图4－2。对于中频段，由于开环放大倍数较大，则反馈到输人端的反馈电压也较大，所以闭环放大倍数减小很多。对于高、低频段，由于开环放大倍数较小，则反馈到输人端的反馈电压也较小，所以闭环放大倍数减小得少。因此，负反馈的放大器整体幅频特性曲线都下降。但中频段降低较多，高、低频段降低较少，相当于通频带加宽了。

图4－2 负反馈对频率特性的影响

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4 负反馈使放大器的输入、输出阻抗发生变化

由于串联反馈是在原放大器的输入回路串接了一个反馈电压，因而提高了放大器的输入阻抗；而并联反馈是增加原放大器的输入电流，因而降低了放大器的输入阻抗。电压反馈使放大器的输出阻抗降低；而电流反馈使放大器的输出阻抗变大。此外，负反馈对输入电阻和输出电阻影响的程度和反馈深度有关，反馈深度愈大，影响越大。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

双级串联电压负反馈放大器的电路图如图4－3所示。

图4－4 双级串联电压负反馈放大器

1 调整直流工作点

调节电位器Rw1使放大器工作于合适的直流工作点，测量并记录参数

18

参数 测试值

UB1 UC1 UE1 UB2 UC2 UE2 2 负反馈对放大器性能的影响

分别在放大器开环状态（未引入负反馈）和闭环状态（引入负反馈）下测量放大器的电压增益、输入电阻、输出电阻和通频带，通过对测量数据的分析，进一步加深负反馈对放大器影响的理解。输入信号参数为?＝1kHz，Us＝2mV。

在下表中记录测量的数据，并计算。 参数 输入电压Ui（mV） 测 量 值 输出电压Uo（mV） 输出电压UoL（mV） 下限截止频率f（ LkHz）上限截止频率f（ HkHz） 计 算 值 放大倍数Au 输入电阻Ri 输出电阻Ro 通频带fbw 开环 闭环

3 负反馈放大器的设计

（1）设计要求

设计一个放大器，要求闭环放大倍数为30倍，反馈深度为10，上限截止频率为?Hf＝400kHz。因为放大器的放大倍数要求不高，可以采用两级放大，电路参考图4－4，确定电阻、电容值。

（2）仿真

通过软件模拟仿真，修改电阻、电容的设计数值，以满足放大器设计指标的要求。 （3）安装设计好的电路，调整工作点使其能稳定工作，然后，测试放大倍数、频带等参数的值，使其达到设计要求。

五、思考题

1 负反馈对放大器性能的改善程度取决于反馈深度|1＋AF|，|1＋AF|是否越大越好，为什么？

2在调试过程中哪些器件对放大器性能的影响最明显，为什么？

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实验五 差动放大电路设计

一、实验目的

（l）掌握差动放大电路的工作原理与性能特点。 （2）理解差动放大电路对共模信号的抑制作用。 （3）学习差动放大电路性能指标的测试方法。

二、实验原理

差动放大电路广泛应用于模拟集成电路中，它具有很高的共模抑制比。诸如由电源波动、温度变化等外界干扰都会引起工作点不稳定，他们都可以看作是一种共模信号。差动放大电路能抑制共模信号的放大，对上述变化有良好的适应性，使放大器有较高的稳定度。

1．典型差动放大电路

如图5－1所示为一个典型差动放大电路。电路两边对称，RE为两管公用发射极电阻，RW为调零电位器。静态时，调节RW可使两管静态电流相等，输出电压UO＝UC1－UC2＝0。

图5－1 差动放大电路

20

如果输入一个信号UId，对地而言则是一对大小相等而极性相反的差模信号

1UI1??UI2?UId，在T1和T2完全对称的情况下，则有ICQ1增大了?IC，UCQ1减少了

2?UC；同时ICQ2减少了?IC，UCQ2增加了?UC，故Uod?VC1?VC2??2?VC。如果忽

略信号源内阻，则差模电压放大倍数Avd为：

Avd?Uod2Uod12Uod1???2Avd1UId2UId1UId??1??RL?2????2?RB?rbe??1(1??)RW?2?式中，R?L?RC1//端处于中间位置。

????RL ???1?(RB?rbe)?(1??)RW?2?RL，RB?Ri1//Rb1，Avd为T1的电压放大倍数，且调零电位器滑动2如果输入一对大小相等极性相同的共模信号UIC?UI1?UI2，则两管电流同时增大，相应IC随之增大，导致RE上的电压降便又随之增大且为单管电流增量的两倍，故RE对共模信号起着很强的负反馈作用。输出端由于各单管输出电压同时减少，且增量相等，故总输出UOC?0，几乎对共模信号无放大作用，其单边输出增益也很小。可推导出：

Avc1?Avc2???RC1RB?rbe?(1??)RW?2(1??)RE2

其中RC＝RC1＝RC1。

一般

2(1??)RE??RB?rbe?故上式可简化为：

1(1??)RW 2AVC1?AVC2??RC 2Re晶体管因温度、电源电压等变化引起的工作点变化，在差动放大器中相当于加入了共模信号。因此，差动放大器能大大抑制温度、电源电压等变化对工作点的影响。

2 共模抑制比

在差动放大器中常用共模抑制比来衡量放大器的性能。其定义为：

21

KCMR或

Avd ?AvcAvd(dB) AvcKCMR(dB)?20lgKCMR越大，表示电路对称性越好，对漂移的抑制能力也就越强。

3 差动放大器输入、输出的4种组态

差动放大器有两个输入端和两个输出端。同样，输出也分双端输出和单端输出方式。组合起来,有四种连接方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出。

（1）双端输入、双端输出

前面讨论就是双端输入、双端输出的情况，适用于输入、输出均不能接地的场合。双端输入、双端输出差动放大器，其放大倍数和单管放大倍数相同，实际上是通过牺牲一个管子的放大倍数去换取低温漂的效果。

（2）双端输入、单端输出

差模放大倍数是双端输入、双端输出的一半，输入电阻相同，输出电阻为一半。

这时共模放大倍数不为0，但由于RE对共模信号有很强的抑制作用，所以共模放大倍数也很小。

双端输入，单端输出适用于将双端输入信号转换成单端输出的场合。 （3）单端输入、双端输出

所谓单端输入，是指将输入端中一端接地。等效于双端输入、双端输出的情况，将输入分解为差模和共模，分别进行处理。

单端输入、双端输出适用于将单端输入转换成双端输出或负载不允许接地的场合。 （4）单端输入、单端输出

就相当于双端输入，单端输出。 注意输入与输出之间的相位关系。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 测试差动放大电路

22

（1） 调试测量静态工作点 将两个三极管的输入端接地，即使UI＝0，用万用表测量输出UO，调节RW2，使UO＝0。测量并记录两个三极管的各极直流电压值。

参数 测试值 （2） 测量差模放大倍数 ①双端输入

在电路的两个输入端加入Ui1＝Ui2＝10mV的差模信号，构成双端输入电路（由信号发生器输出交流信号?＝1kHz,，Ui＝20mV，分别加在Ui1和Ui2之间）。分别测量两个三极管输出端的单端输出电压Uod1和Uod2的值，计算出双端输出差模电压Uod＝Uod1-Uod2。注意输出电压的极性。计算单端输出差模增益和双端输出差模增益。

②单端输入

输入端Ui1接地，在Ui2端加入交流信号?＝1kHz,，Ui＝20mV，测出Uod1、Uod2的值，计算Uod和放大倍数。将测量和计算数据填入下表

输出方式 输入方式 双端 Ui＝20mV 单端 Ui＝20mV 测量值 单端输出 双端输出 计算值 单端增益 双端增益 UB1 UC1 UE1 UB2 UC2 UE2

（3） 测量共模放大倍数

将两端Ui1和Ui2相连，在Ui1与地之间加入交流信号?＝1kHz,，Ui＝500mV，构成共模输入电路。分别测量输出电压Uoc1和Uoc2的值，计算出双端输出共模电压Uoc＝Uoc1-Uoc2。注意输出电压的极性。计算单端输出共模增益和双端输出共模增益。

（4）计算共模抑制比

根据共模抑制比的定义，算出该电路在双端输出和单端输出两种情况下的共模抑制比。

2 差动放大电路的设计

（1）设计要求

增益Aud?20，双电源VCC??12V、VEE??12V供电，采用双端输入双端输出工作方式，要求工作点电流ICQ?0.5mA，负载RL?10K?。

（2）仿真

通过软件模拟仿真，修改电阻、电容的设计数值，以满足放大器设计指标的要求。 （3）安装设计好的电路，调整电路，测试参数使其达到设计要求。

23

五、思考题

1 为什么要求输入为零时，输入端一定要接地？

2 双端输入时，为什么不能用毫伏表直接跨接在两个输出端直接测出双端输出电压？ 3 为什么差动放大器既可以加交流信号，也可以加直流信号进行测试？

实验六 集成运算放大器应用（一）——加减运算电路设计

一、实验目的

（l）掌握运算放大器构成比例、求和运算电路的结构特点。 （2）掌握集成运算放大器的设计方法。

二、实验原理

运算放大器是具有两个输人端、一个输出端的高增益、高输人阻抗的电压放大器。在它的输出端和输人端之间加上反馈网络，则可实现各种不同的电路功能，如反馈网络为线性电路时，运算放大器的功能有：放大、加、减、微分和积分等；如反馈网络为非线性电路时可实现对数、乘和除等功能；还可组成各种波形形成电路，如正弦波、三角波、脉冲波等波形发生器。在线性应用中，分析电路遵循的原则是：虚短和虚断。

虚短：认为流入运放两个输入端的电流近似为零。 虚断：认为运放两个输入端的电压近似相等（U+≈U。 －）

使用运算放大器时，调节零点和相位补偿是必须注意的两个问题。为了提高集成运算放大器的运算精度，消除因失调电压和失调电流引起的误差，必须采取调零技术，保证运算放大器输人为零时，输出也为零。一般运算放大器具有外接调零端，例如F007或μA741，它的调零电路如图6－1所示。

图6－1 μA741调零电路

1 反相比例放大器

电路如图6－2所示，当开环增益为∞（大于104以上）时，反相比例放大器的闭环电压增益为：

Auf?uoR??F uiR1由上式可知，选用不同的电阻比值

RF，Auf可以大R1于l，也可以小于1，若取RF＝R1，则放大器的输出电压等于输入电压的负值，也称为反相跟随器。

图6－2 反相比例放大器

24

2 同相比例放大器

电路如图6－3所示，当运算放大器开环增益足够大时（大于104），同相比例放大器的闭环电压增益为：

Auf?1?RF R1由上式可知，Auf恒大于l。若R1→∞时，Auf为1，于是同相比例放大器转变为同相跟随器。

图

图6－3 同相比例放大器

3．加法器

电路如图6－4所示。当运算放大器开环增益足够时，运算放大器的输人端为虚地，三个输入电压可以彼此独立地通过自身的输入回路电阻转换为电流，能精确地实现代数相加运算。根据虚断和虚短的概念，有

Ui1Ui2Ui3U????O R1R2R3RF?RF?RFRFUO???U?U?U?Ri1Ri2Ri3?? 图6－4 加法器电路

23?1?

4 减法器

电路如图6－5所示。当运算放大器开环增益足

够大时，输出电压Uo为：

uo?RF?ui2?ui1? R1在电阻值严格匹配的情况下，电路具有较高的共模抑制能力。

图6－5 减法器电路

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台

25

（2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1反相放大器

图6－6 反相比例放大器

实验电路按图6－6连接，使其满足下列关系式：

UO??10Ui

在该比例放大器的输人端加人下列电压值 DC： Ui（V） Uo（V） Uo/Ui

AC：f＝lkHz Ui（V） Uo（V） Uo/Ui

测出放大器的输出电压值。

2 同相跟随器

26

－0.5 －0.2 0 0.2 0.5 －0.5 －0.2 0.2 0.5 实验电路按图6－7连接，使其满足下列关系式：

UO?Ui

在该放大器的输人端加人下列电压值,

图6－7 同相跟随器

Ui（V） Uo（V） Uo/Ui

3 反相加法器

实验电路按图6－8连接，使其满足下列关系式

－0.5 －0.2 0 0.2 0.5 UO??10(Ui1?Ui2)

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图6－8 加法器电路

在该放大器的输人端加人下列电压值,加人Ui1＝0.5V，Ui2＝1V，Ui3＝1.5V时，测出输出电压值Uo。

输入 Ui1（V） 0.5 0.5

4 设计加减法电路

Ui2（V） 0.5 －1 输出 Uo（V） 放大倍数 Uo/Ui （1）设计一个加法电路，使其满足下列关系式：UO??3(2Ui1?Ui2)。

①输入信号Ui1、Ui2都是频率为1kHz的正弦信号，幅度分别为U1p-p＝100mV，U2p-p＝200mV，观测输出是否满足设计要求。

②输入信号Ui1是频率为1kHz，幅度为U1p-p＝100mV的正弦信号，Ui2是直流电压（＋0.5V），观测输出是否满足设计要求（注意输入信号中有直流电压使输出信号中含有直流分量后与输出为纯交流信号的不同）。

（1）设计一个加法电路，使其满足下列关系式：

UO?10Ui1?2Ui2?4Ui3

通过软件模拟仿真，修改电路中电阻值，以满足设计指标的要求。安装设计好的电路，加人Ui1＝0.5V，Ui2＝1V，Ui3＝1.5V时，测出输出电压值Uo。

五、思考题

28

（1）运算放大器作比例放大时，R1与RF的阻值误差为±10%，试问如何分析和计算电压增益的误差。

（2）运算放大器作精密放大时，同相输人端对地的直流电阻要与反相输人端对地的直流电阻相等，如果不相等，会引起什么现象，请详细分析。

（3）为什么交流电压放大器不需要调零？

实验七 集成运算放大器应用（二）——积分与微分电路设计

一、实验目的

（l）掌握运算放大器构成积分、微分电路的结构特点。 （2）掌握集成运算放大器的设计方法。

二、实验原理

1 积分器

电路如图7－1所示，当运算放大器的开环增益足够大时，可认为：

iR?iC

其中

iR?du?t?ui ， iC?Co

dtR1图7－1 积分器电路

将其代人上式，则

uo?t??如果电容器两端的初始值电压为零，则

1ui?t?dt ?R1C 29

uo?t??当输入信号ui(t)为幅度U的阶跃电压时

1t0ui?t?dt ?R1C11?U?t?0???Ut RCRCuo?t???1RC?t0Udt??此时输出电压uo(t)的波形是随时间线性下降，如图7－2所示。如果输人信号ui(t)为幅度U的矩形波，其输出电压uo(t)的波形为三角波，如图7－3所示。

图7－2 积分电路输入与输出波形 图7－3 输入方波时积分器输入与输出波形

实际电路中，通常在积分电容两端并接反馈电阻RF，用做直流负反馈，目的是减小集成运算放大器输出端的直流漂移。但是反馈电阻的存在将影响积分器的线性关系，为了改善线性特性，反馈电阻一股不宜太小，但太大又对抑制直流漂移不利，因而反馈电阻应取适中值。

2 微分电路

电路如图7－4所示。当运算放大器的开环增益足够大时，可得出下列关系：

i1?t??Cdui?t? dtdui?t? dtuo?t???RFiF?t???RFC因此实现了输出电压与输人电压的微分C关系。当输人电压ui(t)＝Umsinωt时，输出电压：

uo?t?＝－Um?RFCcos?t

实际电路中，应在C2两端并联电阻R2，在C1一端串人电阻R1解决直流漂移、高频噪声等问题。具体电路见图7－5所示。

30

图

7

－

4

微

分

电

路

图7－5 实际微分电路

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台

（3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 积分器

实验电路按图7－6连接。

输人信号Ui为正弦信号，幅度为2V，频率分别为100Hz、500Hz，lkHz时，用双踪示波器同时观察Ui及Uo，记录Uo的幅度和Ui相的相位。

输人信号Ui为方波信号，幅度在±2V之间交替变化，频率为200Hz。用双踪示波器同时观

察Uo和Ui的波形，并记录幅度值。

图7－6 积分电路

2 微分器

实验电路按图7－7连接，为了防止振荡及噪声，实际电路中附加C2。

①在输人端加人正弦信号，其峰峰值为5V，频率分别为100Hz、200Hz、500Hz，用双踪示波器同时观察Ui和Uo，详细记录其峰值和相位。

②输人信号Ui改为三角波信号，其幅度为5Ⅴ，频率为500Hz，用双踪示波器观察Ui和Uo，详细记录输人和输出波形以及它们相互间的相位关系。

图7－7微分电路

3 设计反相积分器

设计一个反相积分器，积分时间常数为2ms。 （1）输入信号为方波，频率为1kHz，，幅度Up-p＝6V，观测输出信号的幅度，与理论

31

值相比较。

（2）改变积分器的时间常数，使之增大或减小，观测输出信号的幅度的变化及失真情况，进一步掌握积分时间常数RC对输出的影响。

4 设计反相微分器

设计一个反相微分器，时间常数为1ms。 （1）输入信号为三角波，频率为1kHz，，幅度Up-p＝2V，观测输出信号的幅度，与理论值相比较。若输出有振荡，对电路进行改进，直至振荡基本消除。

（2）改变输入信号的频率，使之增大或减小，观测输出信号的幅度的变化及失真情况，进一步掌握当输入信号频率变化时微分器时间常数RC对输出的影响。

五、思考题

（l）运算放大器接成积分器时，在积分电容两端跨接电阻RF，试分析为什么能减少输出端的直流漂移？

（2）分析同相积分器的原理，并与反相积分器进行比较，分析有何优缺点。

实验八 集成运算放大器应用（三）——波形发生电路设计

一、实验目的

（1）学习用运放组成方波、三角波发生器。

（2）观测方波、三角波发生器的波形、幅度和频率。

（3）通过自行设计正弦波变三角波电路，进一步熟悉波形变换电路的工作原理及参数计算和调试方法。

二、实验原理

方波、三角波发生电路组成框图如图8－1所示。

图8－1 方波、三角波发生器组成框图

1 方波发生器

图8－2（a）是一种简单的方波发生器，电路由迟滞比较电路和积分电路构成。

图中运放和电阻R1、R2组成反相迟滞比较电路。通过正反馈网络R1、R2从输出电压取得基准电压VR。R、C组成积分电路，产生比较电压UC(t)。双向稳压管DZ和限流电阻R3组成双向限幅电路，控制输出幅度为±UZ。电路中输出电压波形Uo，电容两端电压UC的波

32

形如图8－2（b）所示，由此可以计算出振荡周期为：

?R1T?2RCln?1?2?R2???? ?

图8－2 方波发生器

2 方波、三角波发生器

电路如图8－3（a）所示。图中运放A1和电阻R1、R2组成同相迟滞比较电路，运放A2

和电阻R、C组成反相有源积分电路。电路波形如图8－3（b）所示，由此可以计算出振荡周期为：

T?4RCR1 R2

图8－3 方波、三角波发生器

R的阻值在调整方波－三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用C改变频率的范围，R实现频率的微调。

方波的输出幅值应近似等于电源电压＋UCC。三角波的输出幅值应不超过电源电压＋UCC。电阻R的值变化可以实现幅度微调，但会影响方波－三角波的频率。

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3 锯齿波发生器

对三角波发生电路作适当修改，使积分电路具有不同的充放电时间常数，便可构成锯齿波发生器。如图8－4所示。

图8－4 锯齿波发生器

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 测量方波－三角波发生器的参数

按实验电路图接线，构成方波－三角波发生器，用示波器观测Uo1和Uo2的波形。

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测量方波的幅值、频率及频率的调节范围。

测量三角波的峰值及峰值调节范围，并观察在调节三角波峰值时，波形有什么变化。

2 设计振荡频率为500Hz的方波发生器，输出幅度为±6V。设计电路，并用软件仿真确定电路中电阻、电容的值，按照设计的电路图搭接电路，达到设计要求。

3设计振荡频率为1kHz的三角波发生器或者锯齿波发生器，要求第一级输出的矩形波的占空比为20%。设计电路，并用软件仿真确定电路中电阻、电容的值，按照设计的电路图搭接电路，达到设计要求。

五、思考题

1 分析图8－4工作原理，导出电压（V）与频率的关系式。 2 设计一正弦波变换为三角波电路，要求如下：

（1）输人信号频率为500Hz、有效值在1V－3V范围内的正弦波。 （2）要求输出电压是峰峰值为6V的三角波，其频率与输人信号相同。

实验九 RC有源滤波电路设计

一、实验目的

（l）熟悉用运放构成有源低通、高通滤波器。 （2）掌握滤波器的设计方法。 （3）进一步熟悉幅频特性的测试。

二、实验原理

滤波器是模拟信号处理地常用单元。由R、C元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。和无源滤波器相比，RC有源滤波器的主要优点是：截止频率（或中心频率）调节方便；可提供通带内一定的增益；输出阻抗低，便于级联组合为高阶滤波器，或由高通及低通滤波器组合成带通或带阻滤波器。但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。目前有源滤波器的最简工作频率只能达到lMHz左右。根据对频率范围的选择不同，可分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。按滤波器逼近函数不同，又分巴特沃斯（Butterwoth）、切比雪夫（Chebyshev）滤波器和椭圆（Eliptic）滤波器。这里主要介绍通常具有最大平坦响应的巴特沃斯二阶滤波器的工程实用设计方法。

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图9－1 滤波器的幅频特性

1 二阶有源低通滤波器

典型的二阶有源滤波器如图9－2所示，抑制尖峰脉冲，反馈回路可增加C3，C3的容量一般为2pF~51pF。

图9－2 二阶有源低通滤波器

其传递函数的关系式为

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A?s??s2?式中，AUf、?n、Q分别表示如下：

2AUf?n?nQ

2s??nAUf?1?RfR1

?n?R1R2C1C2R1R2C1C2

Q?C2?R1?R2???1?AUf?R1C1

当Q＝0.707时，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。在设计中，一般R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则

?n?Q?1 RC1

3?AUf?n、Q分别由R、C值和运放增益的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法

对要求特性保持一定?n而在较宽范围内变化的情况比较适用。

2 二阶有源高通滤波器

高通滤波器与低通滤波器具有完全的对偶性，把图9－2中R1和C1、R2和C2位置互换就能构成如图9－3所示的二阶有源高通滤波器，二者的参数表达式和特性也有对偶性。

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图9－3 二阶有源高通滤波器

二阶有源高通滤波器的传递函数为

A?s??s2?AUfs2?nQ

2s??n式中，AUf、?n、Q分别表示如下：

AUf?1?RfR

?n?1R1R2C1C2

Q?1/?n

R2?C1?C2???1?AUf?R2C21 RC在设计中，一般R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则

?n?Q?1

3?AUf设计参数时。先确定截止频率fH。通常电容C的容量宜在微法数量级以下，R的值一般为几百千欧以内，由于电容容值档量级较少，常先选用C值，再利用?n、AUf、Q等公式计算电阻R的值。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 设计一个二阶有源低通滤波器，具有巴特沃斯特性，已知fH＝1kHz。通过计算确定参数，并用软件仿真，以达到设计要求。连接电路测试滤波器的幅频响应，将结果填入下表。

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Vi＝0.1V的正弦信号 信号频率（Hz） Vo(V) 20lg∣Vo/Vi∣dB 2 设计一个二阶有源高通滤波器，具有巴特沃斯特性，已知fH＝100Hz。通过计算确定参数，并用软件仿真，以达到设计要求。连接电路测试滤波器的幅频响应，将结果填入下表。

Vi＝0.1V的正弦信号 信号频率（Hz） Vo(V) 20lg∣Vo/Vi∣dB 3 设计一个弱信号放大器，频率范围为（0～1.5）kHz，为了抑制噪声，需要将高于1.5 kHz的信号去除，用滤波器进行设计。要求AUf＝2，阻带区以20dB/十倍频程的斜率衰减。实验调整，测量滤波器的性能参数及幅频特性。

50 100 300 500 700 1k 2k 5k 50 100 300 500 700 1k 2k 5k 五 思考题

1 低通滤波器中为什么要节调零电位器，说明接入调零电位器后可改善滤波器的哪些性能

2高通滤波器的上限截止频率受受哪些因素影响，采取什么措施减小这些影响。

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实验十 直流稳压电源设计

—、实验目的

1 加深理解串联型直流稳压电路的工作原理。 2 掌握串联型直流稳压电路技术指标的测量方法。 3 熟悉串联型直流稳压电路的特性。

二、实验原理

1 直流稳压电源的基本原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图10－1所示。各部分电路的作用如下：

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图10－1 直流稳压电源基本组成框图

（l）电源变压器T的作用是将电网220Ⅴ的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P2=η，式中η为变压器的效率。

（2）整流滤波电路 整波滤波电路Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路将脉动直流电压的纹波减小或滤除，输出直流电压U1。常用的整流滤波电路由全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图10－2(a)、(b)和(c)。各滤波电容C满足：

RL1C?(3~5)T 2式中T为输人交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。

图10－2几种常见整流滤波电路

（3）稳压电路

采用输出电压连续可调的串联型稳压电源，串联反馈式稳压电路由基准电压源、取样电路、比较放大电路和调整电路四部分组成。在分析这种电路时，要抓住调整电路中的调整管和比较放大电路中的放大器件均工作在线性区这一特点来进行。

基本电路如图10－4所示， R36与BG5组成BG6的基准电压，R41，RW10，R42组成了输出电压取样电路，由于D5的存在，所以BG8发射极的电位是恒定的，通过BG7的控制，使输出电压稳定，RW10是一个可变阻器，调整它就可改变取样值，从而使输出电压也将发生变化。这种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。

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图10－4串联型稳压电路

2 稳压电源的性能指标

稳压电源的性能指标分为两种：一种是特性指标，一种是质量指标。测试电路如图10－5所示。

图10－5 稳压电源的性能指标测试电路

（1）特性指标

① 输入电压及其变化范围

② 输出电压Uo及其调节范围Uomax~ Uomin。

③ 额定输出电流Iomax（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护值。在测量Uo的基础上，逐渐减小负载RL，直到Uo下降5％，此时负载RL中的电流即为Iomax。

（2）质量指标

① 稳压系数Sr和电压调整率Ku

稳压系数：在负载电流、温度系数不变的情况下，输入电压的变化±10％引起输出电压的相对变化，即

Sr??Uo/Uo

?Ui/Ui电压调整率：输入电压的变化10％引起输出电压的相对变化，即

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Ku??Uo Uo稳压系数Sr和电压调整率Ku说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。

②输出电阻Ro和电流调整率Ki 输出电阻：在输入电压不变的情况下，输出电压的变化量与输出电流变化量之比的绝对值，即

Ro??Uo?Io

电流调整率：输出电流从0变到最大值Iomax时所产生的输出电压相对变化值，即

Ki??Uo Uo输出电阻Ro和电流调整率Ki说明负载电流变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。

③纹波电压

纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰－峰值。一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量纹波电压存在一定误差。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 测量稳压电源的性能指标

按照电路图10－6接好实验板，检查无误后，接通电源

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图10－6 串联型直流电源电路图

（1）测量稳压电源的输出电压及其调节范围

调节变压器，使变压器输出电压UI为220V，选择适当的负载RL，使稳压电路输出电流IL≈Iomax/2左右。调节取样电阻RW10观察输出电压Uo的变化情况，如果Uo的值能跟随RW10线性变化，说明稳压电路正常工作。否则，检查电路，直至正常工作。测量Uo的最大值Uomax和最小值Uomin，并记录。

（2）测量稳压系数

首先将变压器输出电压UI为220V，调节取样电阻RW10使输出电压为规定值，换上适当的输出电阻RL。调节变压器输出电压UI＝242V，测出此时的稳压电源输出电压Uo1，再调节变压器输出电压UI＝198V，测出此时的稳压电源输出电压Uo2。根据Sr的公式计算。

（3）测量纹波电压

用示波器观测其峰－峰值，并记录。也可用毫伏表测量有效值，但不准确。

2 设计一个直流稳压电源

要求：输入交流电压50Hz、220V；输出直流电压为12V；输出电流0～500mA；电压调整率小于10mV；内阻小于0.1Ω；纹波电压峰－峰值小于5mV。通过计算确定电路参数。用软件仿真，测试其性能参数，并加以改进。

五、思考题

1 采用串联型稳压电路能否使负载电流发生变化时输出电压绝对不变。

2稳压电源输出电压不正常或输出电压不随取样电位器而变，应如何检查才能找出原因。

实验十一 集成稳压电源设计

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—、实验目的

1选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。 2掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

二、实验原理

直流稳压电源的基本原理和直流稳压电源性能指标的测试方法在实验十中已经介绍，集成直流稳压电源与串联型直流稳压电源的稳压电路部分不同，这里选用可调式三端集成稳压器CW317，其参数特性为：Uo＝1.2～37V，Iomax＝1.5A，最小输入输出压差(Ui－Uo）min＝3V，最大输出压差(Ui－Uo）max＝40V。

CW317的外部封装和内部电路框图如图11－1

图11－1 CW317的外部封装和内部电路框图

参考电路如图11－2所示

图11－2用CW317设计直流稳压电源的参考电路】

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台

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（3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 设计一个集成直流稳压电源

要求：输入交流电压50Hz、220V；输出直流电压为Uo＝＋3～＋9V， Iomax＝0.8A，最

－

小输入输出压差ΔUo≤5mV，Sr≤3×103。

通过计算，选择适当的整流二极管和滤波电容，并用软件仿真。连接电路后，测量性能参数以达到设计要求。

2 设计一个集成直流稳压电源

要求：输入交流电压50Hz、220V；输出直流电压为Uo＝＋5～＋12V， Iomax＝1A，纹波电压≤5mA，电压调整率Ku≤3%，Ki≤1%。

通过计算，选择适当的整流二极管和滤波电容，并用软件仿真。连接电路后，测量性能参数以达到设计要求。

五、思考题

1 说明集成稳压器扩展输出电流或做恒流源应用时的电路。

实验十二 集成功率放大电路设计

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一、实验目的

（l）了解集成功率放大器的工作原理及使用方法。 （2）掌握集成功率放大器主要性能指标的测试方法。 （3）了解功率放大器对负载匹配的要求。

二、实验原理

在一些电子设备中，常常要求放大电路的输出级能够带动较重负载，因而要求放大电路有足够的输出功率，这种放大电路统称为功率放大电路。对功率放大电路的要求与电压放大电路有所不同，主要从以下几个方面考虑：

（1）能根据负载的要求，提供所需的输出功率； （2）具有较高的效率； （3）尽量减小非线性失真。

基于上述要求，功率放大器的主要指标有：

（1）最大不失真输出功率Pomax

最大不失真输出功率是指在正弦输人信号下，输出不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和电流有效值的乘积。在测量时，可用示波器观察负载电阻上的波形，在输出信号最大且满足失真度要求时，测量输出电压的有效值，即可得Pomax＝Uo2／RL。

（2）功率增益

功率增益定义为AP?10lgPo，其中，Po为输出功率，Pi为输人功率。 Pi（3）直流电源供给功率PE

电源供给的功率定义为电源电压和它所提供的电流平均值的乘积，即PE＝E2／RL。 （4）效率η

放大器的效率是指提供给负载的交流功率与电源提供的直流功率之比，即η＝Pomax／PE。

功率放大电路可以由分立元件组成，也可由线性集成功率放大器组成。集成功率放大器克服了晶体管分立元件功率放大器的诸多缺点，其性能优良，稳定可靠，而且所用外围元件少，结构简单，调试方便。它的内部电路一般也由前置级、中间级、输出级和偏置电路等组成，与电压放大器不同的是其输出功率大、效率高。而且集成功放的内部电路中还常设有过流、过压及过热保护电路；以保证其在大功率状态下能够安全可靠地工作。

集成功率放大器的种类很多，下面介绍LM386集成功率放大器。

LM386是一种低电压通用型集成功率放大器，其内部由输人级、中间级和输出级等组成，对外有8个引脚。其典型应用电路如图12－1所示。

电路为单端输人方式，输人信号由C1为接人同相输人端3脚，反相输人端2脚接地。管脚1、8开路时，其内部的负反馈最强，整个电路的电压放大倍数为20，若在1、8脚之间外接旁路电容，可使电压放大倍数提高到200。在实际使用中，常常在1、8脚之间外接阻容串联电路，通过调节电阻的大小使电路的电压放大倍数在20～200之向变化。5脚外接电容C3为功放输出耦合电容，以便构成OTL电路。R1、C4是频率补偿电路，用以消除负载电感在高频时产生的不良影响，改善功放的高频特性并防止高频自激。

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图12－1LM386典型应用电路

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

实验电路与图12－1电路相同。电源电压UCC＝＋6V，若固定电压放大倍数，可使1、8脚开路，使AU＝20。

按照图12－1搭接电路，对集成功率放大器的主要特性参数进行测试。

（1）负载电阻RL＝1 kΩ，在输出达到最大不失真条件下，测量电压增益AU、输出功率Po、输人电阻Ri、电源供给功率PE、效率η、输人功率Pi、功率增益AP。（在测量PE时，可在电源与电路的电源引脚之间串接一个电流表，直接测量电源为电路所提供的电流。）

（2）负载电阻RL＝8.2Ω，当功率放大电路在最大不失真条件下，测量电压增益AU、输出功率Po、输人电阻Ri、电源供给功率PE、效率η、输人功率Pi、功率增益AP。

（3）对接人不同负载所测量的数据进行分析，掌握功率放大与电压放大各自不同的特 点，以及功率放大器对负载匹配的要求。

五、思考题

1在测量集成功率放大器在某一条件下的输出功率时，为什么要使输出达到撮大不失真状态？

2是否负载上得到的电压越大功率也越大？得到最大功率的条件是什么？

实验十三 负反馈放大电路仿真设计

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一、实验目的

（l）学习EWB仿真软件的使用。

（2）掌握用EWB仿真模拟电路的方法。

（3）加深理解负反馈放大电路的各项性能指标。

二、实验原理

EWB（Electronic Workbench）软件是加拿大Interactive Image Tehnologies公司推出的专门用于电子线路仿真的 “虚拟电子工作台”，EWB6.0版本叫做Multisim 2001。该软件提供了一个集成化的原理图输入工具、数模混合仿真、波形显示、图形化输入、智能化连线、层次化设计。并且它在桌面上提供了万用表、示波器、函数发生器、频谱仪、字符发生器、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、交流表等仪器仪表。它的界面直观，易学易用。利用“虚拟电子工作台”，在计算机上，就可以完成电路的原理性、扩展性和开发性实验和研究。

EWB不仅可以完成电路的瞬态和稳态、时域和频域、器件的线性和非线性、电路的噪声和失真等常规电路的分析，而且还提供了离散傅立叶、电路零极点、传递函数、灵敏度、容错分析、最差情况分析、蒙特卡罗分析等14种电路分析方法，并且有故障模拟和数据存储功能。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 本实验可选用实验四负反馈放大器的电路。 （1）创建电路。

（2）测试静态工作点，判断三极管是否正常工作。 （3）分别测出开环，闭环增益Au,Auf,并验证 Auf?Au 。

1?AuFu（4）用波特仪测量开环，闭环的上下限截止频率，并验证

fHf?fH(1?AuFu) fLf?fL 。

1?AuFu （5）验证电压串联负反馈的输入电阻，输出电阻的关系式。

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（6）记录输出原理图，静态工作点，开环、闭环输出波形，开环，闭环幅频特性曲线。 （7）计算出Au,Auf,fH,fHf,fL,fLf,RO,ROf,Ri,Rif，与理论值进行比较，并得出结论。 （8）将仿真测量结果与实际测量结果相比较，分析误差。

2 用分立元件设计一个 交流放大电路，用于指示仪表中放大弱信号，具体指标如下： （1）工作频率：f＝30Hz～30k Hz （2）信号源：Ui＝10mV（有效值），内阻Rs＝50Ω。

（3）输出要求：Uo≥1V（有效值）,输出电阻小于10Ω，输出电流Io≤1Ma(有效值)。 （4）输入要求：输入电阻大于20kΩ。

?Auf?Au（5）工作稳定性：当电路元器件改变时，若?10%，则?1%

AuAuf按要求设计电路，确定电阻、电容值。用EWB软件对设计电路进行仿真，测量电路性

能参数，如不符合设计要求，对电路中的电阻、电容值进行改进，使之符合要求。

实验十四 差动放大电路仿真设计

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5rcr.html